bbk 000000

УДК 628.336.57:628.162.52

Бутко Д. А., Лысов В. А.

Определение реологических свойств водопроводных осадков непосредственно в сооружениях

Аннотация

Приведены конструкция прибора и метод расчета для определения реологических свойств осадков непосредственно в отстойных сооружениях. Выявлены закономерности изменения сопротивления осадка сдвигу от глубины его залегания и расстояния от начала отстойника.

Ключевые слова

очистные сооружения , отстойник , осадок , сопротивление осадка сдвигу

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Очистка природных вод сопровождается образованием большого количества осадка, обработка которого является одной из наиболее актуальных проблем в водном комплексе.

Разнообразие осадков (шламов), образующихся на очистных сооружениях, обусловливает необходимость обоснования метода их обработки в каждом конкретном случае. Для успешного решения этой задачи требуется изучение состава, структуры и свойств различных осадков.

В немногочисленной литературе [1; 2] указано, что свойства осадка зависят от отношения цветности к мутности исходной воды. Учитывая, что мутные и высокомутные воды имеют, как правило, малую цветность (5–20 град ПКШ), а мутность более 250 мг/л, влияние цветности на свойства осадка весьма незначительно. Проведенные ранее исследования [3] показали, что основное влияние на процесс уплотнения осадка оказывает отношение исходной мутности к дозе вводимых реагентов. В зависимости от указанного соотношения изменяются физические и реологические свойства осадков. Кроме того, установлено, что в отстойных сооружениях свойства осадка (концентрация, сопротивление осадка сдвигу, удельное сопротивление фильтрации) меняются в зависимости от толщины накопления его слоя и времени осаждения взвеси (длины отстойника) [3].

В настоящее время для определения указанных свойств осадок извлекают из отстойников, а измерения производят в лабораторных условиях, что не всегда соответствует его свойствам в производственных условиях.

Авторами разработан прибор (патент РФ № 93535 U1), с помощью которого сопротивление осадка сдвигу может быть измерено непосредственно в сооружении (отстойнике). Полученные ранее зависимости сопротивления осадка сдвигу от его весовой концентрации и структурно-механической гидратации позволяют с достаточной точностью дать характеристику осадка в зависимости от толщины его слоя и времени накопления.

Прибор (рис. 1) состоит из металлического корпуса, в который вмонтирован динамометр, и трубчатой штанги, на конце которой имеется наконечник специальной конструкции (крыльчатка). При проведении опытов прибор устанавливается на треноге.

На нижней неподвижной части корпуса имеется шкала с градуировкой от 0 до 260, на верхней части нанесен указатель смещения верхней части относительно нижней. К верхней части прибора крепятся на резьбе рычаги – вороты для удобства вращения. Динамометр (пружина) в верхней и нижней частях корпуса закреплен с помощью накладок на болтах. Между треногой и корпусом установлена обойма с подшипником. Трубчатая штанга удерживается в нижней части корпуса специальным зубчатым зажимом.

Тарирование прибора проводилось на специальном стенде, представляющем собой станину, на которой устанавливается закрепленный на оси диск с тросиками, вращающийся на шарикоподшипнике (рис. 2). Закрепляя на оси динамометр и подвешивая к тросикам различный груз, способный преодолеть силу скручивания пружины, определяли крутящий момент пары 2М_кр (или М-пары), фиксируя число делений на шкале корпуса динамометра.

Крутящий момент определяется по формуле:

M_кр = PR,                  (1)

где P – вес приложенного груза, Н; R – радиус диска по прорези, в которой помещен тросик, м.

Результаты тарировки дают основания предполагать линейную зависимость между числом делений n на приборе и крутящим моментом пары. Величины коэффициентов линейного уравнения устанавливаются методом математической статистики по способу наименьших квадратов.

2M_кр = mn + 0 = mn.        (2)

По полученной зависимости строится тарировочная кривая для конкретного динамометра (рис. 3), на которой видно, что коэффициент m характеризует чувствительность динамометра:

Для опытов использовались четыре наконечника с различными геометрическими размерами (табл. 1), что позволило охватить полный диапазон значений сопротивления осадка сдвигу.

Метод вращательного среза основан на измерении сопротивления осадка повороту погруженного в него наконечника специальной конструкции. Для опытов прибор на специальной подставке (деревянном щите) устанавливали на том створе отстойника, где необходимо было проводить наблюдения. При спускании трубчатой штанги с наконечником на расчетную глубину (граница слоя осадка определялась перед началом опытов) с помощью рычагов ворота вращали верхнюю часть прибора со скоростью 0,1–0,2 в секунду до тех пор, пока не сдвигался с места наконечник, т. е. нижняя часть прибора.

Момент начала движения нижней части корпуса фиксировался на шкале. После этого по тарировочной кривой (рис. 3) определялось значение максимального момента.

Поскольку наконечник погружали на глубину h > h_нак, в работу включались обе круговые поверхности цилиндра. Тогда формула максимального крутящего момента принимает вид:

Метод вращательного среза позволяет определить полное сопротивление осадка сдвигу без разделения трения и сцепления. Это весьма важно при расчете силы, которую необходимо приложить для взрыхления и транспортирования осадка, и минимальной скорости струи, способной размыть и транспортировать осадок.

С помощью прибора также можно обнаружить закономерности распределения величины сопротивления сдвигу в отстойнике. Сопротивление осадка сдвигу в слое осадка по всей длине его расположения в отстойниках и по глубине через различные интервалы определялось при замерах в отстойнике № 10 на промышленном водопроводе г. Невинномысска. Вихревая камера хлопьеобразования расположена в начале отстойника. Результаты определения сопротивления осадка сдвигу приведены в табл. 2, из которой видно, что в каждом створе отстойника сопротивление осадка сдвигу растет с увеличением толщины слоя осадка (концентрации и плотности), достигая в нижних слоях максимальных значений – более 300 Па.

Однако в различных створах отстойника приращение прочности осадка неодинаково. Кроме того, приращение сопротивления осадка сдвигу Dτ_s растет пропорционально длине отстойника. Это может объясняться изменением гранулометрического состава осадка, т. е. уменьшением его крупности к концу отстойника, а, как известно, наиболее высокодисперсные частицы образуют при коагуляции структуры, более устойчивые на сдвиг. Еще одним влияющим фактором, по-видимому, оказывается время уплотнения осадка, поскольку на одной и той же глубине от его верхнего слоя находятся частицы в различных створах, подвергшиеся в зависимости от профиля осадка различному времени уплотнения.

По полученным значениям сопротивления осадка сдвигу и установленным зависимостям его изменения от весовой концентрации, влажности, структурно-механической гидратации, толщины слоя в отстойнике можно дать полную характеристику осадка, скопившегося в сооружении. Таким образом, при расчете очистных сооружений свойства образующегося осадка следует определять непосредственно в отстойнике вышеприведенным способом.

Список цитируемой литературы

1. Любарский В. М. Осадки природных вод и методы их обработки. – М.: Стройиздат, 1980.
2. Журба М. Г., Соколов Л. И., Говорова Ж. М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. Т. 2. – М.: АСВ, 2004.
3. Лысов В. А., Михайлов В. А., Нечаева Л. И. Основной фактор влияния на обезвоживание шламов южных водопроводных станций: Реф. сб. № 7. – М., ВНИИИСиЛ, 1980.